摘 要： 针对传统的仿真系统中由于多边形网络数目过多导致的可识别能力下降的问题，文中设计一种绿色建筑3D仿真系统。在硬件设计上，使用全景相机获得绿色建筑全角度图像，在ZigBee底板的支持下，利用CC2530芯片控制传感器获得建筑空间位置和倾斜角度信息；在软件设计上，采用面向对象的方法设计绿色建筑基础，考虑安全性和造价成本优化桩基础设计，在搭建出绿色建筑框架后，采用虚拟视景技术对框架进行纹理贴图和无缝衔接处理。至此，系统设计完成。测试结果表明，设计的绿色建筑3D仿真系统在仿真过程中贴图完整、建筑构件一致性高，并且可识别能力得到提升。
关键词 : 绿色建筑; 3D仿真;系统设计;数据采集;纹理贴图;无缝衔接;性能测试;
Abstract： In order to solve the problem of recognition ability reduction caused by the excessive number of polygonal networks in the traditional simulation system,a 3 D simulation system for green building was designed. In the hardware design,the panoramic camera is used to obtain the full-angle images of the green building,and with the support of the ZigBee baseboard,the CC2530 chip is used to control the sensor to obtain the building space position and tilt angle information. In the software design,the object-oriented method is adopted to design the green building foundation,and the design of the pile foundation is optimized in consideration of safety and cost. The virtual visual technology is used for texture mapping and seamless connection of the framework after constructing the green building framework. The test results show that the designed 3 D simulation system for green building has complete texture mapping, high consistency of building components during the simulation process,and hith identifiable ability.
Keyword： green building; 3D simulation; system design; data acquisition; seamless connection; texture mapping; performance testing;
0 、引言
现阶段，在绿色建筑项目中，已经开始应用各种专业性模拟软件对建筑进行计算机模拟，从而为绿色建筑的设计提供数据和技术支持，但是这些专业性的模拟软件的应用并不意味着绿色建筑模型化的完成，这只是仿真模型化的开始[1,2,3]。相对于一般建筑，绿色建筑是一个更加复杂的综合性建筑，在绿色建筑设计中涉及的领域和学科比较多，对绿色建筑进行仿真模拟，能够确保在绿色建筑设计过程中，帮助技术人员在设计前期阶段，甚至是规划阶段就能进行相关的绿色建筑决策[4,5,6]。
在国外研究中，绿色建筑主要以可持续发展为主，对于绿色建筑的3D仿真，有学者基于建筑项目生命全过程的考虑，将绿色建筑与建筑信息模型有机地结合起来，设计出了仿真系统[7]。而国内的研究中，近几年加快了对于绿色建筑的3D仿真的发展，借鉴国外的成熟技术，在符合国情的情况下，逐渐重视绿色建筑3D振兴项目，加强绿色建筑在各个环节的渗透力和质量，从而加速中国建筑绿色化进程，提高建筑物综合价值，有效控制建筑资源浪费严重的问题。但是目前的研究中对绿色建筑的3D仿真系统存在一些弊端，常见的如基于FLOW-3D的仿真系统和基于Unity3D的仿真系统面对复杂环境的绿色建筑，识别能力比较差，在仿真中容易出现贴图丢失和建筑构件一致性低的情况[8,9,10]。因此，设计新的绿色建筑3D仿真系统来解决传统系统中存在的问题。
1 绿色建筑3D仿真系统硬件设计
在系统硬件设计中，主要针对绿色建筑3D仿真中需要的数据采集问题，设计采集功能。该硬件设计主要包括一台控制器和多台存储设备，通过网络协同实现采集[11]。使用高分辨率CCD相机和全景相机，获得绿色建筑360°全景图像；再使用高精度差分GPS及倾斜传感器，获得相机在拍摄时刻的空间位置、朝向、仰角等参数，在硬件设计中采用LE-30双轴角传感器来获取拍摄时的空间位置和倾斜角度等信息[12]。
数据采集功能中的控制器以CC2530为主控制芯片，在ZigBee底板上，实现与其他模块的无线连接。ZigBee节点的硬件结构主要包括4路模拟和数字量输入模块、2路继电器控制模块。模块的其中1路是电磁阀控制，另1路是RS 485接口模块[13]。与采集模块相连的无线通信模块内的主要芯片是RFX2401，无线收发芯片的射频输入/输出引脚通过电感和电容耦合后，与功放芯片的TXRX引脚相连；当CC2530的P1.5输出为高电平时，P1.4为任意值时，发送数据；接收数据时，P1.4引脚输出高电平，P1.5引脚输出为低电平。
ZigBee底板上的RS 485接口电路中控制通信的核心芯片是MAX3485，将MAX3485的引脚1和引脚4分别与CC2530的P02和P03引脚相连接，而FU1,FU2,D4,D5和D6构成了电路的保护电路[14]。FU1和FU2构成的自恢复保险丝能够实现过流保护目的。
2 、绿色建筑3D仿真系统软件设计
2.1、 面向对象的基础设计
面向对象方法是一种高级程序设计语言，适用范围广，能够根据目标和需求确定不同的类，在类与类之间建立关联、继承、聚合和依赖等关系，一个对象就是一个类的实例[15]。
采用面向对象方法设计合理的绿色建筑模型库，从地基和基础设计开始，基础设计是建筑独立设计的基类。模型库框架和基础设计中所包含的数据成员如图1所示。
土层类的内部封装了数据成员和相应的操作，主要包括类型、压缩模量、天然重度和地基承载力等；相应的操作有计算饱和重度、液性指数等。在程序中，土层类的数据成员以private来定义，相应的操作以public来定义。
绿色建筑仿真中的基础设计不仅与地基土质条件有关，还与荷载、结构深度及建筑材料等因素相关，将以上相关参数考虑到基础设计类中，对于不同的建筑构件，使用不同的参数描述建筑构件，同样以private定义相关参数类的数据成员，以public定义相应的操作和计算。
图1 地基与基础设计模型库框架
对于绿色建筑中柱下基础设计，使用OnGetBottomSize（）确定柱下独立基础的底面尺寸，根据绿色建筑基础设计的实际情况，按照轴心荷载作用估算基础底面积，验证偏心荷载作用下的地基承载力，从而确定基础的底面尺寸。对于其他参数计算和定义，使用不同函数来实现。
绿色建筑桩基础设计中有单桩和群桩的分别。对于单桩的设计，使用SinglePilePressure（）函数计算单桩承载力，再使用其他函数计算单桩轴心竖向力承载力、偏心竖向力承载力以及水平力承载力，最后通过PileIntensity（）的功能按照绿色建筑材料强度对单桩抗压承载力进行验算。对于群桩基础设计，使用函数计算竖向荷载、承台自重，以此估算出绿色建筑所需桩数，再使用CushionDesign（）函数设计承台尺寸，确定桩数排布、桩间距等参数。
在完成以上基础设计后，在绿色建筑仿真中，建筑基础结构形式的选择和参数设置涉及的因素比较多，因此，在实际仿真中，应遵循绿色建筑工程中安全、经济的原则，从实际出发，先考虑浅基础，再考虑桩基础，综合考虑绿色建筑的使用要求、施工条件等，充分发挥天然地基的承载力，结合绿色建筑当地水文地质条件、相邻建筑物和地下管网的影响，将基础尽量埋置在地下水位以上，适时修改基础埋深。
通过上述过程完成绿色建筑的基础设计，并仿真出绿色建筑的基础框架。在此框架基础上，以造价最低为目标，对设计进一步优化，再通过虚拟视景仿真技术对绿色建筑框架进行纹理贴图等操作，增强绿色建筑的真实感。
2.2 、优化桩基础设计
桩基础是绿色建筑的关键部位，因此综合考虑安全和造价的问题，对桩基础部分进行优化。以桩基总造价G为目标函数，表示为：
式中：G1表示承台造价；G2表示基桩造价。两种建筑构件造价的计算公式为：
式中：s1表示承台单位面积混凝土综合单价；s3表示桩单位体积混凝土综合单价；s2表示承台单位质量钢筋综合单价；s4表示桩单位质量钢筋综合单价；W表示桩身截面积；W1和W2分别表示沿承台长和宽两个方向的配筋面积；a,b,h分别是承台的长度、宽度和厚度；ρ表示钢筋的密度；l表示桩长。对上述目标函数进行约束，约束条件主要满足三个方面，分别是强度、变形和构造。具体的约束条件如下所示：
式中：K表示桩基础最终沉降量；[K]表示规范规定的沉降允许量；r表示施工条件允许的桩径；rmin表示施工条件允许的最小桩径；rmax表示施工条件允许的最大桩径，t表示承台相对于天然地面的埋深；L1和L2分别表示持力层顶面和底面的高度；k表示桩间距；y表示承台厚度；y0表示某一下限值。在优化完成后，对仿真的绿色建筑框架贴图处理。
2.3 、绿色建筑纹理贴图的无缝拼接
在绿色建筑3D仿真时，采用MBM和IBM相混合的技术，使用几何体建模方法构建绿色建筑的基本造型，在各个表面上赋予处理好的无缝纹理贴图，并适当调整，以保证场景中各个物体相交处纹理贴图衔接顺畅。
为了表现出仿真的真实感，采用透明纹理技术处理绿色建筑中大量的实体或不规则的实体，使得仿真建筑的数据量不至于过大。透明纹理映射技术包括两个方面：一方面是为算法执行做准备工作；另一方面是用一个单面来表示实体的几何结构，根据数据框架选择适当的纹理贴图。
透明纹理映射技术执行的算法是将纹理贴图进行无缝衔接的算法。在操作数据库过程中，给保存仿真模型信息的表添加一个新的列，利用关系数据库的相关操作命令获得物体在事务中出现的次数，将获得的数据保存在新添加的列中。针对不同的几何节点，仿真出3D立体空间点造型，根据绿色建筑的实际造型和结构适当调整节点的纹理、材质和颜色等参数。
在绿色建筑3D仿真的实现过程中通过上述纹理贴图和无缝拼接的操作，保证仿真场景的真实性和逼真性。通过大量的数据支撑对现实绿色建筑仿真，使多个平面在同一个角度上，更好地对实际的绿色建筑物进行展示，在展示中表现出了更高的真实性，使得用户可以得到更好的用户体验。
3 、绿色建筑3D仿真系统性能测试
3.1、 测试环境
在绿色建筑3D仿真系统性能测试中，部署的测试环境如下：
在系统运行执行各种操作之前，必须与数据库进行连接，实现数据库访问进而通过展示界面将建筑3D模型展示在用户面前。使用ASP.NET访问数据库，设置访问数据库的接口，在测试中，使用的接口是ODBC，具体操作过程为：创建一个链接并连接到数据库，再创建一个SQL命令行对象，执行命令操作；完成后，判断返回的数据形式，如果返回的是表格数据，将这些数据保存在缓存中并生成相应的数据集对象，在后续系统执行各种操作时，可通过数据集对象来对数据进行增删改查等操作，待操作完成后，及时更新数据库中的数据，结束本次连接。
3.2、 测试建筑项目参数设计
在测试中为了更能突出设计的绿色建筑3D系统的性能，设计对比测试项目，分别是贴图完整性和建筑构件模型尺寸规格一致性，引用传统的仿真系统，对相同的目标进行测试，根据结果对比分析。测试中以某实际案例为例，其相关建筑设计概况如表1所示。
基于以上建筑项目设计参数，在建筑构件一致性测试中，选择合适的构件作为测试目标。贴图完整性测试中标准的模型如图2所示。
在建筑中，桩是建筑的基础，打下好的基础才能更好地对绿色建筑进行3D仿真。
3.3 、贴图完整性测试及分析
使用传统的基于FLOW-3D的仿真系统、基于Unity3D的仿真系统以及设计的仿真系统对同一目标进行3D仿真，将仿真结果输入到第三方软件中，使用第三方绘图软件导出结果，具体结果如图3所示。
表1 测试建筑项目设计概况
图2 桩基础三维模型
图3 不同仿真系统贴图完整性测试结果
图3中显示的黑色区域表示的是在第三方绘图软件导入数据时，丢失数据所导致的贴图丢失的区域。从图3中能够直观地看出，传统的两种仿真系统测试结果中存在位置不同、大小不同的贴图缺失区域，而设计的仿真系统测试结果中没有黑色区域。综上所述，本文设计的绿色建筑3D仿真系统贴图完整性更好。
3.4 、建筑构件一致性测试及分析
在建筑构件一致性测试中，单一的建筑构件测试结果不能表明一致性，因此使用多种建筑构件，计算其平均一致性。不同系统的群桩参数计算结果如表2所示。
表2 不同系统建筑构件一致性计算结果
对比观察表2中结果，显示传统的两种仿真系统对于柱子构件的一致性比较高，其他构件的一致性均在0.9以下，而设计的仿真系统的一致性均在0.95以上，说明设计的仿真系统的模型一致性更高。结合贴图完整性可知，本文设计的绿色建筑3D仿真系统的识别性能更高，该系统优于传统的仿真系统。
4、 结语
绿色建筑3D仿真是实现绿色建筑与环境相互作用、可持续发展这一目标的重要环节。本文围绕绿色建筑的仿真，结合了现阶段的虚拟现实仿真技术，设计绿色建筑3D仿真系统，解决了传统仿真系统中存在的问题，为绿色建筑的蓬勃发展做出贡献。但是设计过程中仍存在不足之处，如系统展示界面还不美观、与用户的交互性也需要进一步提升，希望在后续研究中能够得到进一步研究与完善。
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